Het Fermi Space Telescope-team heeft donkere sterrenstelsels aan de hemel gevonden zonder sterren, maar met donkere materie die smeult. De ontdekkers geloven nog niet in de vondst en het is onmogelijk om hun resultaten onafhankelijk te verifiëren - wetenschappers maken niet bekend waar de kandidaten zijn
Naast het grote conflict tussen twee culturen - "natuurkundigen en tekstschrijvers", die precies 50 jaar geleden in omloop werd gebracht door de Brit Charles Snow, is er ook al eeuwenlang een klein conflict dat uitsluitend "natuurkundigen" betreft. Het is een botsing tussen theorie en experiment, waarbij de eersten meestal de rol spelen van roekeloze liberalen en de laatsten als verantwoordelijke conservatieven.
In de afgelopen jaren heeft dit conflict zich in de astrofysica nergens zo duidelijk gemanifesteerd als in de geschiedenis van donkere-materiedeeltjes, waarvan sommige wetenschappers de transformatie zien in de substantie waaraan we gewend zijn, terwijl anderen dat niet doen. Beide overtuigingen zijn gebaseerd op dezelfde gegevens.
Paparazzi en PAMELA
Verval en vernietiging
Verval wordt het spontane verval van deeltjes genoemd, zoals het verval van een uraniumkern of een neutron dat een atoomkern verlaat. Annihilatie is de wederzijdse vernietiging van deeltjes wanneer ze elkaar ontmoeten, bijvoorbeeld de annihilatie van een elektron en een positron, en in het algemeen materie en antimaterie.
De vervalsnelheid hangt alleen af van het aantal onstabiele deeltjes en het annihilatiesignaal bepaalt de frequentie van deeltjesbotsingen met elkaar. Daarom is de vervalsnelheid evenredig met de dichtheid en de annihilatiesnelheid evenredig met het kwadraat van deze hoeveelheid. Op deze manier hopen astronomen annihilatie te onderscheiden van verval in observatiegegevens.
De grootste spanning van hartstocht bereikte halverwege 2008, toen het internationale wetenschappelijke experiment PAMELA aan boord van de Russische satelliet "Resurs-DK" een overmaat aan hoogenergetische positronen ontdekte in de buurt van de zon. Ze zouden heel goed geboren kunnen zijn tijdens het spontane verval of de wederzijdse vernietiging van exotische deeltjes, die verondersteld worden donkere materie te vormen.
Natuurlijk zijn andere verklaringen mogelijk, maar het vooruitzicht om onzichtbare materie te 'zien' was zo aantrekkelijk dat veel jonge theoretici er alles aan deden om niet-gepubliceerde PAMELA-gegevens te verkrijgen, waarover geruchten de ronde deden in de astrofysische omgeving. Sommigen fotografeerden zelfs ongepubliceerde PAMELA-kaarten op hun mobiele telefoons tijdens de verslagen van de projectdeelnemers op conferenties en op basis van deze gegevens schreven ze theoretische artikelen. Zulke dappere zielen, die de ongeschreven ethische regels van de wetenschappelijke gemeenschap schenden, worden zelfs 'wetenschappelijke paparazzi' genoemd.
Als gevolg hiervan werden de PAMELA-gegevens niettemin formeel gepubliceerd, maar ze hebben nog steeds geen eenduidige interpretatie. Iemand denkt dat dit sporen zijn van donkere deeltjes, iemand geeft neutronensterren in de buurt van de zon de schuld van hun uiterlijk, iemand gelooft in het algemeen dat we het hebben over onverklaarde systematische fouten in de werking van de PAMELA-apparatuur.
Mist, mist
Velen hoopten dat de situatie zou worden opgehelderd door de lancering van het Fermi Space Observatory, dat fotonen met zeer hoge energieën detecteert. Ze kunnen heel goed worden geproduceerd door de interactie van gewoon licht met hoogenergetische geladen deeltjes (dit is de zogenaamde Compton-terugverstrooiing). En zo hoopten de wetenschappers de situatie te verduidelijken met de PAMELA-gegevens.
WMAP Haze WMAP
vond een teveel aan microgolfstraling vanuit het galactische centrum - de zogenaamde "WMAP haze", die in de gegevens blijft na aftrek van alle bekende microgolfbronnen ervan. Een van de meest waarschijnlijke verklaringen hiervoor is de synchrotronstraling van energetische elektronen die zich op de inductielijn van interstellaire magnetische velden wikkelen. Precies op dezelfde elektronen kunnen met behulp van het omgekeerde Compton-effect hoogenergetische fotonen worden geproduceerd, die Fermi kan zien.
Als deeltjes donkere materie echt de bron worden van energetische positronen en elektronen, dan zouden ze vaker geboren moeten worden, precies daar waar er meer donkere materie is. Volgens moderne concepten worden dergelijke plaatsen beschouwd als de centra van sterrenstelsels. Astronomen keken er dus naar uit om Fermi naar het hart van onze eigen Melkweg te zien gaan. Bovendien ontvingen astronomen hier enkele jaren geleden een hint van een groot aantal elektronen van het WMAP-ruimtevaartuig.
Promotie video:
Fermi kwam in juni 2008 in een baan om de aarde en begon een paar maanden later met het verzamelen van wetenschappelijke gegevens. Volgens de regels van de groep verschijnen de gegevens van de telescoop pas een jaar nadat ze zijn ontvangen in de openbare ruimte - om 'hun' theoretici in staat te stellen de belangrijkste wetenschappelijke crème van hen af te schuimen. Het jaar liep ten einde in de vroege herfst, maar een groep theoretici wachtte niet en herhaalde het verhaal bijna met de 'wetenschappelijke paparazzi'. Volgens een artikel dat in juli verscheen, ziet Fermi een overmaat aan straling naar het galactische centrum. Bovendien toonde voorlopige analyse aan dat deze straling kan worden gegenereerd op precies dezelfde deeltjes die het PAMELA-project heeft opgevangen.
Toen de gegevens van Fermi toch werden gepubliceerd, herhaalden de wetenschappers hun analyse en verklaarden met meer zelfvertrouwen: naast de "WMAP-haze" is er ook een "Fermi-haze", waarin de theorie van verval of vernietiging van donkere materie goed past. Dit werk, geleid door Gregory Dobler van het Harvard Center for Astrophysics, schaamt zich niet langer om zelfs maar naar serieuze wetenschappers te verwijzen, hoewel de resultaten niet veel verschillen van de conclusies van het eerdere werk van dezelfde groep.
Meneer Nee
Er is echter een belangrijk voorbehoud. Zelfs als er een groot aantal hoogenergetische elektronen en positronen bestaat in het gebied van het galactische centrum (en daar zijn steeds minder twijfels over), dan moet hun oorsprong van donkere materiedeeltjes nog worden bewezen. In principe kunnen ze andere bronnen hebben - bijvoorbeeld schokgolven van supernova-explosies of allemaal dezelfde neutronensterren die op de plaats van dergelijke explosies achterblijven. Het centrum van de Melkweg zou van beide moeten wemelen - simpelweg omdat er zoveel sterren zijn, waarvan sommige vroeg of laat ontploffen. En hoewel de alternatieve modellen nogal "vergezocht" zouden moeten zijn, is het voor velen nog steeds een meer acceptabele verklaring dan een soort donkere materie.
"Dobler en zijn bedrijf zijn op dun ijs gestapt", waarschuwde Elliot Bloom, een van de weinige pure theoretici in het Fermi-experimentteam, nadat hun artikel was gepubliceerd. In zijn hart moet deze persoon waarschijnlijk met zichzelf worstelen - een theoreticus die de helft van zijn leven wijdde aan de vooruitzichten van een indirecte verklaring van de aard van donkere materie, hij werd onlangs "Mr. No" van de Fermi-samenwerking. Hij is het die het vaakst commentaar moet leveren op werken zoals het artikel van Dobler en collega's en journalisten ervan moet overtuigen dat de conclusies van de "parvenu" op zijn minst voorbarig zijn.
Ironisch genoeg is het het werk van Bloom (pdf-bestand), namens de samenwerking gepresenteerd in de vorm van een poster op het Fermi 2009 symposium in Washington, dat een nieuwe aflevering in het verhaal van de observationele detectie van donkere materie kan beginnen. De resultaten van dit werk vestigden de aandacht op het beroemde broeinest van fysieke geruchten - de blog Resonaances, die wordt onderhouden door de Poolse natuurkundige Adam Falkowski van de Amerikaanse Rutgers University.
Donkere sterrenstelsels
Het onderstructuurprobleem De
discrepantie tussen de voorspelde theorie en het werkelijke aantal dwergsatellieten in de Melkweg en andere sterrenstelsels wordt het onderbouwprobleem genoemd. De standaardoplossing is dat er dwergstelsels om ons heen zijn, maar er ontstaan geen sterren in.
Recent bewijs suggereert dat een dergelijke verklaring inderdaad kan werken: de kleinste van de recent ontdekte satellieten van ons melkwegstelsel bestaat eigenlijk uit slechts een paar honderd sterren. Maar hun massa (het kan worden geschat door de beweging van de sterren) is veel groter. Aangenomen wordt dat het meeste zich in donkere materie bevindt.
Bloom redeneerde terecht: om een alternatief met de versnelling van elektronen op schokgolven uit te sluiten, moet men kijken waar supernovae niet exploderen. Idealiter - waar helemaal geen sterren zijn, en donkere materie zou moeten zijn. Volgens de theorie zouden zulke sterloze halo's van donkere materie inderdaad ons Melkwegstelsel moeten omringen - de theorie voorspelt een dozijn of twee keer meer dwergstelsels dan werkelijk wordt waargenomen.
Om te ontdekken wat de sterren niet verlichten, moesten Bloom en zijn collega Pin Wan het hele Fermi-gegevensarchief doorzoeken op zoek naar uitgestrekte objecten, waarvan de gammastraling overeenkomt met het model van verval of vernietiging van donkere materiedeeltjes. Bovendien mogen dergelijke objecten niet samenvallen met bekende bronnen en mag de flux van fotonen daaruit niet in de loop van de tijd veranderen.
Bloom en Wang vonden 54 uitgebreide bronnen die minstens vier standaarddeviaties boven de achtergrond uitstaken. Na elk van hen achtereenvolgens te hebben onderzocht, verwierpen de wetenschappers 50 potentiële "sterloze sterrenstelsels" omdat ze niet voldeden aan de gekozen criteria. Er zijn er nog vier die aan de criteria voldoen. Boven de achtergrond vallen ze allemaal niet eens op door vier, maar door minstens vijf standaarddeviaties.
Niettemin zette Bloom het masker "Mr. No" weer op en concludeerde dat er de eerste tien maanden geen nieuwe donkere dwergen waren gedetecteerd in de Fermi-gegevens. Het belangrijkste argument van de wetenschapper is de discrepantie tussen de spectra van deze bronnen en de gekozen theoretische modellen van het verval van donkere materie.
Subtiele vraag
Maar dit is belachelijk, meent Falkovsky, - geef een normale theoreticus bijna elk spectrum in zijn handen, en hij zal in 15 minuten een model voor je bedenken dat dit spectrum beschrijft. Ongeveer 15 minuten is natuurlijk een artistieke overdrijving, maar de modellen van verval en vernietiging tot dusverre bieden inderdaad een zeer grote theoretische manoeuvreerruimte.
Misschien is dat de reden waarom Bloom geen spectra geeft. Hij geeft in zijn werk niet de coördinaten van de kandidaten of andere gegevens over hen op.
Dit alles is erg intrigerend, meent Falkovsky. Bloom zegt niet dat er geen donkere sterrenstelsels zijn, hij beweert alleen dat "ze de eerste tien maanden niet in de gegevens van Fermi zijn gevonden". Niemand weet wat er de komende jaren met de data gaat gebeuren. Wat wel duidelijk is, is dat Bloom, als lid van de Fermi-samenwerking, er als eerste toegang toe zal hebben.
